采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种碳纤维的处理方法，具体设及一种采用硫酸碳化淀粉液相沉积处 理碳纤维的方法。
【背景技术】
[0002] 通常情况下，碳纤维都是在具有保护作用的惰性气体环境下生产制造的，其生产 溫度在1600°CW上，由于经历了高溫阶段成型，所W使得碳纤维表面的其他元素基本消失， 只剩下了富集的碳元素，从而导致了其表面活性低于复合材料的粘结胶强度，进而降低了 其整体力学性能。为了处理在碳纤维表面惰性高的情况下，如何发挥出复合材料中力学性 能的问题，此时需要对碳纤维表面形貌作一些适当的改进。目前，对碳纤维表面进行处理的 方法主要有两种：氧化法和非氧化法。经处理后的碳纤维虽具有较好的性能，但是和未处理 的碳纤维相比较，则发现其复合材料剪切强度有所下降。而且现有技术技术中，碳纤维强酸 处理过程中易对碳纤维表面过度刻蚀，降低了材料的强度等力学性能。
[0003] 本发明的技术方案包括如下步骤：
[0004] 称取碳纤维0. 1-lg，量取10-30ml的硫酸，再称取淀粉，淀粉和硫酸的质量比为 1 % -4%，然后将称量好的淀粉配制成质量浓度为5-15 %的淀粉水溶液，上述混合液体加 入圆底烧瓶进行反应，反应时间为15-60min，反应溫度为120-200°C，得短切碳纤维。 阳0化]所述的碳纤维用丙酬浸泡去除表面有机胶。
[0006] 所述的淀粉和硫酸的质量比优选为2%。
[0007] 所述的淀粉水溶液质量浓度优选为10 %。
[000引所述的反应时间优选为45min，反应溫度优选为180°C。
[0009] 本发明的优点效果如下：
[0010] 本发明通过采用硫酸碳化淀粉在短切碳纤维表面的液相沉积处理的方法，实现可 控刻蚀及在表面沉淀淀粉碳化颗粒，增加粗糖度提高其摩擦性的同时最大限度的实现其它 力学性能不降低。本发明从碳纤维界面微观受力角度为出发点，W硫酸为氧化剂将淀粉在 不同溫度下碳化成碳颗粒沉积在碳纤维的表面增大其受力界面，将部分受力进行界面传递 扩散使得其表层受力均匀，在此之前，用此方法处理碳纤维无人尝试，通过试验，处理之后 碳纤维的表面有碳化的碳颗粒沉积，扩大了碳纤维的表面积，缓解了受力的集中和不均匀， 防止了碳纤维强酸处理过程中易对碳纤维表面过度刻蚀，且为一种简单有效的碳纤维表 面处理改性方法。
【附图说明】 W11] 图Ia-Id为不同质量比下硫酸碳化淀粉电镜图。
[0012] 图2a-2d为不同时间下硫酸碳化淀粉电镜图。
【具体实施方式】 阳〇1引实施例1
[0014] 称取碳纤维0. 5g，量取20ml的浓度98wt%的硫酸，再称取淀粉，淀粉和硫酸的质 量比为2 %，然后将称量好的淀粉配制成质量浓度为10 %的淀粉水溶液，上述混合液体加 入圆底烧瓶进行反应，反应时间为45min，反应溫度为180°C，得短切碳纤维。 阳〇1引实施例2
[0016] 称取碳纤维0.Ig,量取IOml的浓度98wt%的硫酸，再称取淀粉，淀粉和硫酸的质 量比为1 %，然后将称量好的淀粉配制成质量浓度为5%的淀粉水溶液，上述混合液体加入 圆底烧瓶进行反应，反应时间为15min，反应溫度为200°C，得短切碳纤维。
[0017] 实施例3
[001引称取碳纤维Ig,量取30ml的浓度98wt%的硫酸，再称取淀粉，淀粉和硫酸的质量 比为4 %，然后将称量好的淀粉配制成质量浓度为15 %的淀粉水溶液，上述混合液体加入 圆底烧瓶进行反应，反应时间为60min，反应溫度为120°C，得短切碳纤维。
[0019] 实施例4
[0020] 称取碳纤维0.Ig,量取30ml浓度98wt%的硫酸，再称取淀粉，淀粉和硫酸的质量 比为3%，然后将称量好的淀粉配制成质量浓度为5 %的淀粉水溶液，上述混合液体加入圆 底烧瓶进行反应，反应时间为60min，反应溫度为200°C，得短切碳纤维。
[0021] 本发明的实验过程及性能分析如下。
[0022] 在配料时将碳纤维的量作为变量，分别加入碳纤维的质量分数为3 %，5 %，7 %， 9%，11%，加入的碳纤维为硫酸与淀粉的质量之比为2%在180°C下碳化沉积60min的短切 碳纤维，编号为分别为Al,A2,A3,A4,A5。为了做对比，同时加入质量分数为9%的未处理 短切碳纤维，编号为A0,而其余各个填料和树脂的量均为定量。
[0023] 将混合好的物料取出部分放入模具中，然后将模具稳固压合后轻放于液压平板硫 化机上，其压制溫度为150°C，压制压力位25MPa，保压时间为30min后将压片取出测试其性 能。
[0024] 硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维，扫面电镜（SEM)分析如图Ia-Id所示，淀粉 浓度为〇%、1%、2%和3%下硫酸碳化淀粉处理后的碳纤维表面电镜图，处理时间固定为 45min，处理溫度固定为180°C。由图可W看出，当未加淀粉直接用硫酸进行处理时，碳纤维 的边缘部分被酸液腐蚀，运是由于浓硫酸的强氧化性使得碳纤维皮层微晶尺寸较大部分被 腐蚀脱落，当加入淀粉后，可W看出，在淀粉与硫酸不同质量比例下，碳纤维的表面均有不 同程度碳化后的淀粉碳颗粒沉积，在电镜照片下可W看出，当淀粉与硫酸质量比为1%时， 沉积在纤维表面的碳颗粒相对比较稀疏，而且碳化的碳颗粒在纤维表面分布也不太均匀； 相比之下，当淀粉与硫酸的质量之比为2%时，碳纤维表面的沉积效果较好，而且附着比较 牢固；当两者的质量之比为3%时，可W看出，虽然纤维表面比较粗糖，而且也不均匀的沉 积了一层碳化淀粉颗粒，但是此时的碳化淀粉颗粒在局部呈现出结团的现象，故而说明此 时淀粉浓度相对来说已经偏高。综合不同比例的硫酸淀粉碳化后的电镜照片分析得出，当 两者之间的比例在2%时，处理效果相对较好，因此在接下来的试验中W淀粉和硫酸质量比 为2%，通过实验确定其反应的最佳时间和溫度。
[0025]如图2所示分别为15min、30min、45min和60min下硫酸碳化淀粉处理后的碳纤 维表面电镜图，固定反应的淀粉与硫酸质量比为2%，反应溫度为180°C。从处理15min和 30min时的图片可W看出，沉积在纤维表面的碳颗粒看起来比较松散，从表面看起来并不牢 固，当时间增加到45min时，可W看出，此时的淀粉碳化效果相对较好，而且相对均匀的附 着在了碳纤维的表面，且附着的颗粒比较牢固，当处理时间为60min时，表面也相对均匀的 沉积了碳颗粒，可能是由于时间太长，碳纤维的表面被酸液腐蚀严重，表皮已经脱落，由此 综合对比可W得出，当淀粉与硫酸质量之比控制在2%，处理时间为45min时，硫酸碳化淀 粉效果相比最好，故而再将淀粉和硫酸质量比和处理时间作为固定条件，通过处理来得到 最佳的反应溫度。
[0026] 经过综合对比沈M图片可W得出，当淀粉与硫酸质量比为2%，处理时间为45min， 处理的溫度为180°C时，硫酸碳化淀粉沉积处理的效果最好。
[0027] 短切碳纤维摩擦片的性能，通过全平均摩擦系数平均值对比可W很直观的看到， 在升溫过程中，摩擦系数总体稳定，保持在0. 29-0. 37之间，而根据GB5763-1998-4类衬片 的摩擦系数0. 25-0. 7对比，说明在低溫升高溫的区间内，所制得的碳纤维制动摩擦片具有 良好且稳定的摩擦系数，达到了标准要求。
[0028] 按照GB5763-1998标准，样品面积为25mmX25mmX2 = 1250mm2,经过测试和分析 计算，得到从(TC开始升到测定摩擦系数所需溫度，其包括升溫过程的摩擦系数及整个过程 的平均摩擦系数。样品A0-A5降溫后半平均摩擦系数见表1。样品A0-A5的磨损率见表2。
[0029] 结论：硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维通过SEM电镜图片观察表明，当淀粉与 硫酸的质量之比为2%，处理时间为时间为45min，反应的溫度为180°C时，碳纤维表面的沉 积效果最好。
[0030] 采用硫酸碳化淀粉液相沉积法处理的短切碳纤维为增强体，W腰果壳油改性酪醒 树脂为粘结剂，W铜粉，重晶石，般烧氧化侣粉，人造石墨，碳素石墨，橡胶粉和摩擦粉为填 料改性剂，压力为25MPa下W干法压制成型。所压制的碳纤维摩擦片的摩擦系数稳定。其 平均摩擦系数均保持在0. 28-0. 4之间，且不随着溫度的升高而变化；经过处理的碳纤维摩 擦片磨损率很小，其平均磨损率在0. 1-0. 5之间，比任何溫度下规定的磨损率都小，磨损率 最大值也达到标准要求。而未经过处理的短切碳纤维摩擦片的平均磨损率达到了 0.85。当 经过的处理纤维的含量在10%时其磨损率为0. 1，磨损率最小。
[0031] 表1样品A0-A5降溫后半平均摩擦系数
[0033] 表2样品A0-A5的磨损率
[0034]
【主权项】
1. 采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于包括下述步骤： 称取碳纤维0.Ι-lg，量取10-30ml的硫酸，再称取淀粉，淀粉和硫酸的质量比为1%-4%， 然后将称量好的淀粉配制成质量浓度为5-15%的淀粉水溶液，上述混合液体加入圆底烧瓶 进行反应，反应时间为15-60min，反应温度为120-200 °C，得短切碳纤维。2. 根据权利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于 所述的碳纤维用丙酮浸泡去除表面有机胶。3. 根据权利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于 所述的淀粉和硫酸的质量比优选为2%。4. 根据权利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于 所述的淀粉水溶液质量浓度优选为10%。5. 根据权利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于 所述的反应时间优选为45min，反应温度优选为180 °C。6. 根据权利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于 所述的硫酸浓度为98wt%。7. 根据权利要求1所述的采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其特征在于 短切碳纤维在制备摩擦片中的应用。
【专利摘要】本发明涉及一种采用硫酸碳化淀粉液相沉积处理碳纤维的方法，其步骤为，称取碳纤维、硫酸、淀粉，然后将称量好的淀粉配制成质量淀粉水溶液，上述混合液体加入圆底烧瓶进行反应，得短切碳纤维。本发明通过采用硫酸碳化淀粉在短切碳纤维表面的液相沉积处理的方法，实现可控刻蚀及在表面沉淀淀粉碳化颗粒，增加粗糙度提高其摩擦性的同时最大限度的实现其它力学性能不降低。
【IPC分类】D06M11/74
【公开号】CN105421035
【申请号】CN201510930310
【发明人】周莉, 吴国瑞
【申请人】辽宁石油化工大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月15日